polímero solar

Las células solares hechas de polímeros tienen el potencial de ser económicas y livianas, pero los científicos están luchando para que generen electricidad de manera eficiente.

Un polímero es un tipo de molécula grande que forma plásticos y otros materiales familiares.

"El campo es bastante inmaduro que se encuentra en la etapa de la infancia", dice Luping Yu, profesor de química en la Universidad de Chicago.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Yu ha identificado un nuevo polímero que permite que las cargas eléctricas se muevan más fácilmente a través de la célula, lo que aumenta la producción de electricidad.

"Las células solares de polímero tienen un gran potencial para proporcionar dispositivos electrónicos de bajo costo, ligeros y flexibles para cosechar energía solar", dice Luyao Lu, un estudiante graduado en química y autor principal de un artículo en la revista Nature Photonics que describe el resultado


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Las regiones activas de tales células solares están compuestas por una mezcla de polímeros que proporcionan y reciben electrones para generar corriente eléctrica cuando se exponen a la luz. El nuevo polímero desarrollado por el grupo de Yu, llamado PID2, mejora la eficiencia de la generación de energía eléctrica en porcentaje de 15 cuando se agrega a una mezcla estándar de polímero y fullereno.

"El fullereno, una pequeña molécula de carbono, es uno de los materiales estándar utilizados en las células solares de polímero", dice Lu. "Básicamente, en las células solares de polímero tenemos un polímero como donador de electrones y fullereno como aceptor de electrones para permitir la separación de carga".

En su trabajo, los investigadores agregaron otro polímero en el dispositivo, lo que resultó en células solares con dos polímeros y un fullereno.

8.2 Porcentaje de eficiencia

El grupo alcanzó una eficiencia de 8.2 por ciento cuando se agregó una cantidad óptima de PID2 -la más alta jamás para celdas solares compuestas por dos tipos de polímeros con fullereno- y el resultado implica que incluso mayores eficiencias podrían ser posibles con más trabajo.

El grupo, que incluye investigadores en el Laboratorio Nacional de Argonne, ahora está trabajando para impulsar las eficiencias hacia el porcentaje de 10, un punto de referencia necesario para que las células solares de polímero sean viables para su aplicación comercial.

El resultado fue notable no solo por el avance en las capacidades técnicas, señala Yu, sino también porque PID2 mejoró la eficiencia a través de un nuevo método. El mecanismo estándar para mejorar la eficiencia con un tercer polímero es aumentar la absorción de luz en el dispositivo.

¿Cómo funciona?

Pero además de ese efecto, el equipo descubrió que cuando se agregaba PID2, las cargas se transportaban más fácilmente entre los polímeros y en toda la célula.

A fin de que una corriente para ser generada por la célula solar, los electrones deben ser transferidos de polímero a fullereno dentro del dispositivo. Pero la diferencia entre los niveles de energía de electrones para el polímero-fullereno estándar es lo suficientemente grande que la transferencia de electrones entre ellos es difícil. PID2 tiene niveles de energía de entre los otros dos, y actúa como intermediario en el proceso.

"Es como un paso", dice Yu. "Cuando es demasiado alto, es difícil escalar, pero si pones en el medio otro paso, entonces puedes caminar fácilmente hacia arriba".

La adición de PID2 provocó que la mezcla de polímeros forme fibras que mejoran la movilidad de los electrones en todo el material. Las fibras sirven como un camino para permitir que los electrones viajen a los electrodos en los lados de la célula solar.

"Es como si estuvieras generando una calle y alguien que está viajando por la calle puede encontrar una manera de ir de este extremo a otro", explica Yu.

Para revelar esta estructura, Wei Chen de la División de Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional Argonne y el Instituto de Ingeniería Molecular realizaron estudios de dispersión de rayos X utilizando Advanced Photon Source en Argonne y Advanced Light Source en Lawrence Berkeley.

"Sin eso, es difícil conocer la estructura", dice Yu. "Eso nos beneficia enormemente".

"Este conocimiento servirá como base para desarrollar dispositivos fotovoltaicos orgánicos de alta eficiencia para satisfacer las necesidades energéticas futuras de la nación", agrega Chen.

Fuente: Universidad de Chicago
Estudio original


Sobre la autora

Emily ConoverEmily Conover es una escritora de ciencia con experiencia en física y astronomía. Ella escribe para la Oficina de Noticias de la Universidad de Chicago, y su propio blog de ciencia personal, Interacciones débiles, y está disponible para la ciencia independiente o la escritura técnica.

Declaración de divulgación: La Fundación Nacional de Ciencia, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Departamento de Energía de EE. UU. Financiaron la investigación.


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